CN111010008B - 一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，包括两个面对面对称安装在转轴上的转子盘，且两个转子盘中间留有间距用于安装定子盘；每个转子盘包括顺次设置的高分子材料辐条状永磁体压板、梯形永磁体、高分子材料固定框架、转子导磁背轭、转子支撑板和碳纤维护套；转子导磁背轭安装在高分子材料固定框架背面，高分子材料固定框架内外环之间设有梯形槽；转子导磁背轭的圆周方向交替布置梯形永磁体，梯形永磁体正面两侧设有阶梯豁口，通过高分子材料辐条状永磁体压板与高分子材料固定框架连接；高分子材料固定框架外设置碳纤维保护环套；转子导磁背轭外侧安装有转子支撑板。本发明具有转子损耗小、结构强度高、安装工艺性好的优点。

Description

一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘

技术领域

本发明涉及轴向磁通永磁电机技术领域，特别是一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘。

背景技术

与传统径向磁场永磁电机相比，轴向磁场永磁电机具有结构紧凑、转矩密度高、效率高等显著优点，轴向磁场永磁电机拓扑结构较为多样，其中以单定子双转子结构和单转子双定子结构较为常见。轴向磁场永磁电机转矩大小与外径的三倍成正比例关系，因此在长径小的结构约束下其转矩密度具有显著优势，其在电动汽车、风力发电、航空器推进系统等场合具有很好的应用前景。区别于径向电机的是，轴向磁场电机转子外径一般和定子外径一样，因此其转子外径较大，导致转动惯量大，且永磁体一般为表贴式结构。轴向磁场永磁电机正在向高速化、高功率密度方向发展，因此对大惯量的盘式转子的结构强度提出了更高要求。对于大功率轴向磁场而言，其外径一般较大，特别是在高速运行下转子强度和永磁体的保护成为了一个重要的技术难点。由于轴向磁场永磁电机的转子一般为表贴式结构，大功率高速工况下，永磁体不但要承受较大的离心力还要承受定子的电磁吸力，特别是在定转子偏心的情况下，永磁体受到的不平衡吸引力将变得更大，对永磁体的安装固定和保护都是一种考验。

专利CN 101860098 A公开了一种盘式永磁电机转子，采用压块和螺钉把永磁体固定到电机金属挡磁板上，使永磁体与电机金属挡磁板紧固连接，然而该方法破坏了永磁体结构的整体性，在高速旋转时会在紧固连接部位产生应力集中的问题，大幅降低了转子永磁体的强度。专利CN 108233656 A公开的一种超高速盘式永磁同步电机的转子采用U型保护套固定安装永磁体，增加了轴向气隙，而且其材料的选取尤为关键，一般需要具有不导磁不导电特性，同时机械强度要好，这给工程设计带来了很多技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转子损耗小、结构强度高、安装工艺性好的高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，包括两个面对面对称安装在转轴上的转子盘，且两个转子盘中间留有间距用于安装定子盘；每个转子盘包括顺次设置的高分子材料辐条状永磁体压板、梯形永磁体、高分子材料固定框架、转子导磁背轭、转子支撑板和碳纤维护套；

所述转子导磁背轭安装在高分子材料固定框架背面，高分子材料固定框架内外环之间有设有辐条形成梯形槽，使梯形永磁体在圆周方向按照N和S极充磁方向不同交替均匀布置在转子导磁背轭上；所述梯形永磁体正面两侧设有阶梯豁口，阶梯豁口的高度与高分子材料辐条状永磁体压板厚度相同，通过高分子材料辐条状永磁体压板与高分子材料固定框架相结合，从而将梯形永磁体在径向和轴向保持固定；所述高分子材料固定框架的外侧沿周向缠绕有碳纤维，形成碳纤维保护环套；所述转子导磁背轭外侧安装有转子支撑板，形成一侧的转子盘并安装在转轴上，通过锁母固定转子盘在轴向方向的位置。

作为一种具体示例，所述梯形永磁体为等腰梯形形状，梯形的上、下底边均为圆弧形状，圆弧长度根据电机的极弧而定，上、下底边的圆弧直径分别与定子内、外径大小相同；所述梯形永磁体两腰边侧开有阶梯豁口，阶梯豁口的厚度不大于梯形永磁体总厚度的二分之一；所述高分子材料辐条状永磁体压板的厚度与梯形永磁体的阶梯豁口的深度相同，阶梯豁口的宽度小于梯形永磁体厚度的五分之一。

作为一种具体示例，所述转子导磁背轭安装在转子支撑板上，连接方式为通过螺钉连接或者通过结构胶粘接；所述转子导磁背轭采用电工纯铁、硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸成型；所述转子导磁背轭面向转子支撑板的一侧面根据磁路的饱和情况和轻量化结构设计要求做异形处理；所述转子导磁背轭的内、外圆直径分别与梯形永磁体上、下底的两个弧形边对应的圆直径相同。

作为一种具体示例，所述转子支撑板安装于转轴上；所述转子支撑板采用高强度航空铝合金或者高分子复合材料制成，用于支撑转子电磁部件。

作为一种具体示例，所述高分子材料固定框架呈圆环形，有内圆环和外圆环，其内外圆环之间设有辐条，辐条的数量与转子极数相同，且在圆周方向均匀分布，辐条的宽度与相邻两个梯形永磁体极之间的距离相同，其内圆环和辐条的厚度与永磁体两边有阶梯豁口的局部厚度相同，外圆环的厚度与永磁体厚度、转子导磁背轭厚度和转子支撑板厚度的总和相同。

作为一种具体示例，所述高分子材料辐条状永磁体压板包括一个内圆环，且在该内圆环的外径方向上设置与高分子材料固定框架相同的辐条，辐条长度延伸到高分子材料固定框架的外圆，辐条厚度与梯形永磁体两边阶梯豁口厚度相同；所述高分子材料辐条状永磁体压板辐条的宽度为当安装到高分子材料固定框架上后能够完全压住梯形永磁体的阶梯豁口。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)永磁体在轴向方向和径向方向都得到了有效的保护，解决了盘式电机转子高速运行时永磁体的结构安全性问题；

(2)主要结构部件采用高分子复合材料制成，降低了转子的损耗，降低了转子温升，提高了高速运行安全性；

(3)采用高分子材料固定框架为永磁体的保护，再利用碳纤维在外圈加强，在结构上实现了部件的转配更加容易方便，降低了转子的制造成本。

附图说明

图1是本发明一种高强度表贴式永磁盘式电机双转子盘的结构示意图。

图2是本发明中永磁体块分段和充磁方向以及形成的永磁体盘的结构示意图，其中(a)为永磁体块分段和充磁方向示意图，(b)为永磁体盘的结构示意图。

图3是本发明中转子导磁背轭的结构示意图。

图4是本发明中转子导磁背轭模块化的正反面结构示意图，其中(a)为正面结构示意图，(b)为反面结构示意图。

图5是本发明中高分子材料固定框架的结构示意图。

图6是本发明中高分子材料固定框架和转子导磁背轭结合后的三维侧视图。

图7是本发明中高分子材料福条状永磁体压板的结构示意图。

图8是本发明中将高分子材料福条状永磁体压板安装压入永磁体后形成的转子正面侧视图。

图9是本发明中在高分子材料固定框架缠绕碳纤维形成的碳纤维保护环的结构示意图。

图10是本发明中转子支撑板的结构示意图。

图11是本发明中安装形成的完整的单转子盘的结构示意图。

图12是本发明中转轴的结构示意图。

图13是本发明中双转子盘安装与转轴上形成的完整转子的结构示意图。

图中：

1-转子盘，2-转轴，3-高分子材料辐条状永磁体压板，4-梯形永磁体，5-高分子材料固定框架，6-转子导磁背轭，7-转子支撑板，8-碳纤维护套，9-锁母。

具体实施方式

针对轴向磁场永磁电机而言，转子的结构强度直接影响了该类型的最高转速和功率密度，随着轴向磁场电机技术的不断发展，对永磁体的保护和提高转子强度已经成为该领域一个重要的研究热点和方向。

本发明提出一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，包括两个面对面对称安装在转轴2上的转子盘1，且两个转子盘1中间留有间距用于安装定子盘；每个转子盘1包括顺次设置的高分子材料辐条状永磁体压板3、梯形永磁体4、高分子材料固定框架5、转子导磁背轭6、转子支撑板7和碳纤维护套8；

所述转子导磁背轭6安装在高分子材料固定框架5背面，高分子材料固定框架5内外环之间有设有辐条形成梯形槽，使梯形永磁体4在圆周方向按照N和S极充磁方向不同交替均匀布置在转子导磁背轭6上；所述梯形永磁体4正面两侧设有阶梯豁口，阶梯豁口的高度与高分子材料辐条状永磁体压板3厚度相同，通过高分子材料辐条状永磁体压板3与高分子材料固定框架5相结合，从而将梯形永磁体4在径向和轴向保持固定；所述高分子材料固定框架5的外侧沿周向缠绕有碳纤维，形成碳纤维保护环套8；所述转子导磁背轭6外侧安装有转子支撑板7，形成一侧的转子盘1并安装在转轴2上，通过锁母9固定转子盘1在轴向方向的位置。

进一步地，所述梯形永磁体4为等腰梯形形状，梯形的上、下底边均为圆弧形状，圆弧长度根据电机的极弧而定，上、下底边的圆弧直径分别与定子内、外径大小相同；所述梯形永磁体4两腰边侧开有阶梯豁口，阶梯豁口的厚度不大于梯形永磁体4总厚度的二分之一；所述高分子材料辐条状永磁体压板3的厚度与梯形永磁体4的阶梯豁口的深度相同，阶梯豁口的宽度小于梯形永磁体4厚度的五分之一。

进一步地，所述转子导磁背轭6安装在转子支撑板7上，连接方式为通过螺钉连接或者通过结构胶粘接；所述转子导磁背轭6采用电工纯铁、硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸成型；所述转子导磁背轭6面向转子支撑板7的一侧面根据磁路的饱和情况和轻量化结构设计要求做异形处理；所述转子导磁背轭6的内、外圆直径分别与梯形永磁体4上、下底的两个弧形边对应的圆直径相同。

进一步地，所述转子支撑板7安装于转轴2上；所述转子支撑板7采用高强度航空铝合金或者高分子复合材料制成，用于支撑转子电磁部件。

进一步地，所述高分子材料固定框架5呈圆环形，有内圆环和外圆环，其内外圆环之间设有辐条，辐条的数量与转子极数相同，且在圆周方向均匀分布，辐条的宽度与相邻两个梯形永磁体4极之间的距离相同，其内圆环和辐条的厚度与永磁体两边有阶梯豁口的局部厚度相同，外圆环的厚度与永磁体厚度、转子导磁背轭6厚度和转子支撑板7厚度的总和相同。

进一步地，所述高分子材料辐条状永磁体压板3包括一个内圆环，且在该内圆环的外径方向上设置与高分子材料固定框架5相同的辐条，辐条长度延伸到高分子材料固定框架5的外圆，辐条厚度与梯形永磁体4两边阶梯豁口厚度相同；所述高分子材料辐条状永磁体压板3辐条的宽度为当安装到高分子材料固定框架5上后能够完全压住梯形永磁体4的阶梯豁口。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明一种高强度表贴式永磁盘式电机双转子盘，包括转轴2、锁母9和两个转子盘1；所述转子盘1包括顺次设置的高分子材料辐条状永磁体压板3、梯形永磁体4、高分子材料固定框架5、转子导磁背轭6、转子支撑板7和碳纤维护套8；

所述两个转子盘1对称安装在转轴2上，中间留有间距用于安装定子盘；所述转子导磁背轭6安装在高分子材料固定框架5背面，高分子材料固定框架5内外环之间有设有辐条形成梯形槽，使梯形永磁体4在圆周方向按照N和S极充磁方向不同交替均匀布置在转子导磁背轭6上；所述梯形永磁体4正面两侧设有阶梯豁口，阶梯豁口的高度与高分子材料辐条状永磁体压板3厚度相同，通过高分子材料辐条状永磁体压板3与高分子材料固定框架5相结合，从而将梯形永磁体4在径向和轴向保持固定；所述高分子材料固定框架5缠绕有碳纤维，形成碳纤维保护环套8；所述转子导磁背轭6外侧安装有转子支撑板7，形成一侧的转子盘1，安装在转轴2上，通过锁母9固定转子盘1在轴向方向的位置。

图1所示的表贴式永磁盘式电机双转子盘结构为5对极转子，每个转子盘1上的梯形永磁体4在圆周方向上按照N、S极交替安装布置，其中每极上的梯形永磁体4在径向方向上分为多段，以抑制梯形永磁体4的涡流损耗，如图2(a)～(b)所示，每极上的梯形永磁体4分为4段，且每一极下的每段梯形永磁体4的充磁方向完全相同。另外，为了进一步加强梯形永磁体4在结构上的固定和安装，在梯形永磁体4面向气隙的一侧的两边开有阶梯豁口，梯形永磁体4两边的阶梯豁口的高度为梯形永磁体4厚度的一半，阶梯豁口为梯形永磁体4厚度的五分之一。

如图3所示，为一个转子盘1上的导磁背轭6，由软磁复合材料压铸成型，将导磁背轭6沿着圆周方向分为10块，整个导磁背轭6圆盘由10个分块的导磁背轭6拼接而成，并且在每块导磁背轭6上打孔，以便于后期的结构固定，如图4(a)～(b)所示，给出了单块导磁背轭6的正反面示意图。由于10块梯形永磁体4是对准导磁块拼接的中心线安装，因此根据磁场导通路径和导磁背轭6上的磁密饱和程度，将每块导磁背轭6面向转子支撑板7一侧设置有弧度，表现为中间厚，两边薄的状态，从而保证在梯形永磁体4安装上后，梯形永磁体4正中线处对应的导磁背轭6薄，梯形永磁体4两个极之间的导磁背轭6厚，其目的在于不影响磁通路径的情况下可以减小转子重量。

如图5所示，给出了高分子材料固定框架5的结构示意图，内外环之间用辐条连接，辐条的数量和转子极的数量一样，均为10个；其外环的轴向宽度为梯形永磁体4厚度、导磁背轭6外圆的厚度和转子支撑板7厚度的总和，并且辐条设置需要保证转子导磁背轭6面向梯形永磁体4的一面正好完全解除，辐条的厚度与梯形永磁体4两边除去阶梯豁口的厚度保持一致，从而导磁背轭6与高分子材料固定框架5结合后会形成10个梯形块状的浅槽，其形状与每极的梯形永磁体4完全对应；所述高分子材料固定框架5内环的厚度与辐条的厚度一样，并且保持平齐；在辐条靠近外环侧开有孔，与导磁背轭6上的孔一一对应，方便螺钉固定安装；每个辐条对应的内环下方也同样开有螺钉孔，以便于高分子材料辐条状永磁体压板3的固定安装。

如图6所示，为导磁背轭6和高分子材料固定框架5结合后的结构示意图，将梯形永磁体4沿着圆周方向按照N、S极方向顺次安装到已经形成的10个梯形块状的浅槽中，其中梯形永磁体4与导磁背轭6接触面涂有结构胶以提高两者之间的粘接强度。如图7所示，所述高分子材料辐条状永磁体压板3包括一个内圆环，且在该内圆环的外径方向上设置与高分子材料固定框架5相同的辐条，辐条长度延伸到高分子材料固定框架5的外圆，辐条厚度与梯形永磁体4两边阶梯豁口厚度相同；所述高分子材料辐条状永磁体压板3辐条的宽度为当安装到高分子材料固定框架5上后可以完全压住梯形永磁体4的阶梯豁口。在辐条靠近外环侧开有孔，与导磁背轭6和高分子材料固定框架5辐条上的孔一一对应，方便螺钉固定安装；高分子材料辐条状永磁体压板3内环上也同样开有螺钉孔与高分子材料固定框架5内环上的孔位置对应。将高分子材料辐条状永磁体压板3安装上形成如图8所示的转子结构。

将碳纤维缠绕到高分子材料固定框架5上即可形成如图9所示的碳纤维保护套8。图10为转子支撑板7的结构示意图，一般采用较为轻质且强度高的金属材料，其面向转子的一面与导磁背轭6的背面的形状相同，以便于与导磁背轭6与转子支撑板7完全接触，通过结构胶增强粘接强度，并且与导磁背6上孔对应位置上打有螺纹孔。

如图11所示，为安装形成的转子盘1的结构示意图，各部件紧密连接最后通过螺钉进行固定。

如图12所示是转轴2的结构示意图，将做好的两个转子盘1安装到转轴2上即可形成一个完整的高强度表贴式永磁体盘式电机双转子，如图13所示，转子盘1与转轴2采用键槽连接方式，在轴向上为防止转子轴向串动，通过锁母9进行锁死。

本发明高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，永磁体在轴向方向和径向方向都得到了有效的保护，解决了盘式电机转子高速运行时永磁体的结构安全性问题；主要结构部件采用高分子复合材料制成，降低了转子的损耗，降低了转子温升，提高了高速运行安全性；采用高分子材料固定框架为永磁体的保护，再利用碳纤维在外圈加强，在结构上实现了部件的转配更加容易方便，降低了转子的制造成本。

Claims (6)

1.一种高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，其特征在于，包括两个面对面对称安装在转轴（2）上的转子盘（1），且两个转子盘（1）中间留有间距用于安装定子盘；每个转子盘（1）包括顺次设置的高分子材料辐条状永磁体压板（3）、梯形永磁体（4）、高分子材料固定框架（5）、转子导磁背轭（6）、转子支撑板（7）和碳纤维护套（8）；

所述转子导磁背轭（6）安装在高分子材料固定框架（5）背面，高分子材料固定框架（5）内外环之间有设有辐条形成梯形槽，使梯形永磁体（4）在圆周方向按照N和S极充磁方向不同交替均匀布置在转子导磁背轭（6）上；所述梯形永磁体（4）正面两侧设有阶梯豁口，阶梯豁口的高度与高分子材料辐条状永磁体压板（3）厚度相同，通过高分子材料辐条状永磁体压板（3）与高分子材料固定框架（5）相结合，从而将梯形永磁体（4）在径向和轴向保持固定；所述高分子材料固定框架（5）的径向外侧沿周向缠绕有碳纤维，形成碳纤维保护环套（8）；所述转子导磁背轭（6）轴向外侧安装有转子支撑板（7），形成一侧的转子盘（1）并安装在转轴（2）上，通过锁母（9）固定转子盘（1）在轴向方向的位置。

2.根据权利要求1所述高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，其特征在于，所述梯形永磁体（4）为等腰梯形形状，梯形的上、下底边均为圆弧形状，圆弧长度根据电机的极弧而定，上、下底边的圆弧直径分别与定子内、外径大小相同；所述梯形永磁体（4）两腰边侧开有阶梯豁口，阶梯豁口的高度不大于梯形永磁体（4）总厚度的二分之一；所述高分子材料辐条状永磁体压板（3）的厚度与梯形永磁体（4）的阶梯豁口的高度相同，阶梯豁口的宽度小于梯形永磁体（4）厚度的五分之一。

3.根据权利要求2所述高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，其特征在于，所述转子导磁背轭（6）安装在转子支撑板（7）上，连接方式为通过螺钉连接或者通过结构胶粘接；所述转子导磁背轭（6）采用电工纯铁、硅钢片卷绕而成或采用软磁复合材料压铸成型；所述转子导磁背轭（6）面向转子支撑板（7）的一侧面根据磁路的饱和情况和轻量化结构设计要求做异形处理；所述转子导磁背轭（6）的内、外圆直径分别与梯形永磁体（4）上、下底的两个弧形边对应的圆直径相同。

4.根据权利要求1所述高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，其特征在于，所述转子支撑板（7）安装于转轴（2）上；所述转子支撑板（7）采用高强度航空铝合金或者高分子复合材料制成，用于支撑转子电磁部件。

5.根据权利要求1所述高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，其特征在于，所述高分子材料固定框架（5）呈圆环形，有内圆环和外圆环，其内外圆环之间设有辐条，辐条的数量与转子极数相同，且在圆周方向均匀分布，辐条的宽度与相邻两个梯形永磁体（4）极之间的距离相同，其内圆环和辐条的厚度与永磁体两边有阶梯豁口的局部厚度相同，外圆环的厚度与永磁体厚度、转子导磁背轭（6）厚度和转子支撑板（7）厚度的总和相同。

6.根据权利要求1所述高强度轴向磁场电机表贴式永磁转子盘，其特征在于，所述高分子材料辐条状永磁体压板（3）包括一个内圆环，且在该内圆环的外径方向上设置与高分子材料固定框架（5）相同的辐条，辐条长度延伸到高分子材料固定框架（5）的外圆，辐条厚度与梯形永磁体（4）两边阶梯豁口厚度相同；所述高分子材料辐条状永磁体压板（3）辐条的宽度为当安装到高分子材料固定框架（5）上后能够完全压住梯形永磁体（4）的阶梯豁口。

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